Физико-химические основы термобработки стали и цветных металлов.
В контексте
Термообработка. Отпуск стали.Термообработка. Закалка стали.Термообработка. Отжиг стали.Термообработка. Нормализация стали.Термообработка. Краткая информация.
![]() |
Термическая обработка (термообработка) стали, цветных металлов - процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термобработка приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав остается в неизменном виде.
![]() |
Рисунок 1. Диаграммы состояния системы Fe – Fe3C |
Возможность влияния термической обработки на структуру и свойства сталей, сплавов определяется вторичной кристаллизацией, которая в соответствии с диаграммой состояния Fe – Fe3C происходит по линиям GS, SE и РК.
Влияние скорости охлаждения аустенита при термообработке на структуру стали.
Вторичная кристаллизация при медленном охлаждении происходит в полном соответствии с диаграммой состояния характеризуется следующими этапами:
1) превращение аустенита в феррит;
2) выделение из аустенита мельчайших частиц цементита;
3) укрупнение частиц цементита, размеры которых меняются от долей микрона до нескольких микрон.Если эвтектоидная сталь по линии РК (в точке Ar1 ) охлаждается медленно, то произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадение аустенита происходит по следующим этапам:
- превращение гамма-железа в альфа-железо, т.е. перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного куба гамма-железа в решетку центрированного куба альфа-железа с одновременным смещением атомов углерода, находящихся в твердом растворе гамма-железа;
- выделение из твердого раствора (аустенита) мельчайших частиц цементита ( Fe3C );
- укрупнение частиц цементита до пластинок, размеры которых измеряются от малых долей микрона до нескольких микронов. Аустентит более или менее полностью распадается.
Если скорость охлаждения увеличивается до 50 град/сек, то распадение аустенита не успевает закончиться, размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона, они различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом (по имени Г.В. Сорби – английского естествоиспытателя).
Если скорость охлаждения увеличивается до 100 град/сек, то полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. Поэтому размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Эта структура носит название троостита (по имени Л. Трооста – французского химика). Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.
![]() |
Рисунок 2. Зависимость положения критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения. |
Если скорость увеличить 150-200 град/сек, то успевает завершиться лишь перегруппировка атомов железа, образуется пересыщенный метастабильный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе с искаженной кристаллической решеткой. Эта структура называется мартенситом (по имени А. Мартенса – немецкого металловеда). При нагреве мартенсит переходит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит.
Мартенсит стали получается путем реализации только первого этапа вторичной кристаллизации, имеет характерное пластинчатое, под микроскопом - игольчатое, строение. Рост пластин путем сдвига происходит мгновенно со скоростью около 1000 м/с по бездиффузионному механизму, так как диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен.
Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными составляющими стали, и, особенно, с аустенитом. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита приводит к возникновению при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.
При образовании мартенсита получают максимальные твердость (НВ 180...650) и хрупкость при минимальных плотности и вязкости. Твердость мартенсита возрастает с увеличением содержания в нем углерода. Однако увеличение содержания углерода повышает склонность мартенсита к хрупкому разрушению.Подводя итог сказанному, заметим, что перлит, сорбит, троостит по структуре представляют собой двухфазную смесь (феррита и цементита). Они отличаются друг от друга дисперсностью цементита; мартенсит же однофазен, это твердый раствор углерода в альфа-железе.
Структура перлита, получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной, как и другие структуры. В отличие от равновесной, структуры сорбита, троостита, мартенсита, получающиеся при ускоренных охлаждениях, называются неравновесными.
Сдвиг критических точек при охлаждении.
Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек (по отношению к их положению на диаграмме равновесия). Сдвиг температур увеличивается с ускорением охлаждения, что видно на рис. 2. Кривая A ’ r показывает, что переохлаждение аустенита растет при ускорении охлаждения.
Если охлаждение медленное, то переохлаждение невелико (верхние точки кривой A ’ r ), следовательно структура стали остается перлитной. Пластинки цементита в перлите тем меньше, чем больше скорость охлаждения, и при дальнейшем ускорении охлаждения структура все больше приближается к сорбиту. При скорости охлаждения, необходимой для получения структуры сорбита ( >> 50 град/сек), аустенит переохлаждается более чем на 100o, фазовое превращение его в сорбит произойдет при температуре около 600o (точка C на кривой A ’ r ). Превращение до троостита произойдет при переохлаждении аустенита на » 180o (точка Т).
Скорость охлаждения V1 (150 град/сек) соответствует началу появления мартенсита в структуре стали. Часть линии A ” r , характеризующая превращение “аустенит - мартенсит”, - прямая. Это указывает на постоянство температуры при превращении (около 240 o для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скорости охлаждения.
Таким образом, кривая A ’ r характеризует распадение аустенита на две фазы: феррит и цементит, а отрезок A ” r – переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлаждения V 1 до V 2 охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит (превращение происходит согласно линии A ’ r и линии A ” r ). При скоростях охлаждения, превышающих V 2 (ниже линии A ” r ), наряду с мартенситом будет немного остаточного (не распавшегося) аустенита.
Изотермическое распадение аустенита.
![]() |
Рисунок 3. Диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной стали |
Наблюдениями установлено, что скорость, характер распадения аустенита зависят от степени его переохлаждения.
На рис.3 приведена диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма построена в координатах “Температура – логарифм времени” (время откладывается на абсциссе по логарифмической шкале), что дает возможность проследить за временем превращения от долей секунды до суток и более.
Предположим для простоты, что за время 0,5 сек удается охладить образец из состояния аустенита до любой температуры: от точки Ar1 до 0 o и ниже. Охлаждая образец до 700 o, выдерживая его при этой температуре, заметим, что в течение времени до точки H 1 в аустените никаких превращений не происходит. Со времени, соответствующего точке H 1 , начинается распадение аустенита. Период времени до точки H 1 называется инкубационным периодом. Распадение аустенита заканчивается полностью ко времени точки К1, когда аустенит перешел в перлит. Скорость дальнейшего охлаждения не влияет на структуру образца, поэтому за точкой К1 линия обрывается.
Наблюдая за образцом, охлажденным из состояния аустенита до температуры 650 o и нанося на диаграмму точки начала H 2 и конца K 2 распадения аустенита, заметим, что инкубационный период и период распада аустенита уменьшились, а в результате распада получился сорбит.
Для образца, охлажденного до температуры около 500 o , получим на диаграмме соответственно точки Н3 и К3 распадения аустенита, а структура стали будет представлять троостит. При увеличении количества подобных опытов определится ряд точек начала - окончания превращения аустенита. Соединяя эти точки, получим две кривые превращения аустенита; кривую I – начала превращения при разных температурах и кривую II – конца превращения при тех же температурах.
При охлаждении образцов со скоростью выше критической при температуре 240 o (линия M Н ) начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита в мартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры. Это превращение, для эвтектоидной углеродистой стали. наступит лишь при температуре - 50 o.
Рассмотрев диаграмму (рис. 3), отметим следующее. Верхняя часть диаграммы характеризует изотермическое распадение аустенита в смесь феррита, цементита. Левее кривой I находится поле, отвечающее переохлажденному аустениту, область между кривыми I и II определяет время распада переохлажденного аустенита, правее кривой II находится поле продуктов распада аустенита: перлита, сорбита и троостита. Инкубационный период распада аустенита изменяется в зависимости от степени переохлаждения последнего: сначала уменьшается до некоторой критической величины, затем вновь увеличивается. Этот период для каждой температуры определяется абсциссой кривой I – начала распадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения также зависит от температуры переохлаждения. Прямая M н является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита и соответствует прямому участку кривой A ” r (см. рис. 2).
Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до линии M к (конец мартенситного превращения). Кривые изотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называют С-образными кривыми. Форма этих кривых установлена профессором С.С. Штейнбергом.
Для доэвтектоидной, заэвтектоидной сталей С-образные кривые смещены влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали; прямые М к и М к для первой расположены выше, а для второй – ниже, чем для эвтектоидной стали.
Свойства стали со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.
Рассмотрим сначала свойства структур эвтектоидной стали.
![]() |
Рисунок 4. Диаграмма изменения механических свойств эвтектоидной стали. Состояния от перлита до мартенсита |
Мартенсит – самая твердая и самая хрупкая структура.
Твердость мартенсита HB =600-650 ( HRC =62-66), а пластические свойства при растяжении ( d и y ) и ударная вязкость (а н) близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур - 7,75 г/см3. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен, обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают в мартенсит.
Тростит, сорбит – промежуточные структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривые изменения твердости HB , предела прочности s в и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.
Свойства структур неэвтактоидной стали отличаются от свойств тех же структур эвтектоидной стали в зависимости от содержания углерода, однако характер изменения свойств структур от перлита до мартенсита тот же, что и у эвтектоидной стали.